平行流冷凝器百叶窗迎面风速的数值模拟

丁铭，侍园园，黄永丽，朱行

（浙江科技学院 机械与能源工程学院，杭州310023）

1 引言

汽车空调冷凝器作为一种风冷式冷凝器，其制冷效果很大程度上会受到外界环境变化的影响。当夏季外界温度较高时，冷凝器为达到散热要求需要更大的换热面积，但是受限于汽车尺寸，只有通过改进结构形式来保证在迎风面积受限的情况下尽可能提高传热效率[1]。多元平行流冷凝器的热阻主要在空气侧，减小空气侧热阻是提升换热效率的有效方法。本文通过数值模拟，分析了平行流冷凝器百叶窗翅片的空气流动和换热性能，对于平行流冷凝器的设计和改进提供重要的参考依据[2]。

2 物理模型

平行流冷凝器芯体左右两侧有两根集流管，以多孔扁管相通，扁管之间由百叶窗翅片组成芯体。工作时，制冷剂从集流管a 流入扁管中，经过多孔扁管流入集流管b 中，再从集流管b 流进集流管a 的下一流程，直至流出。扁管之间连接有百叶窗翅片，翅片可以极大地增加传热面积，并且加快空气流速，使得热量最大程度地被空气带走[3]。根据冷凝器的几何特征，其流道均匀且每层间距一样，结构具有周期性和对称性特征，为节约资源和提高效率，对最小的百叶窗单元进行空气换热研究十分必要。为了保证入口空气流速均匀、出口无回流、充分发展，对进出口空气侧的计算域做了加长处理。百叶窗翅片结构参数取值如表1 所示。

表1 换热器结构参数

3 数学模型

3.1 控制方程

ρ——空气密度；

λ——空气导热系数；

cp——空气比热；

μi、μj、μk——i、j、k 方向的速度；

χi、χj、χk——i、j、k 方向的坐标；

μ——动力粘度；

3.2 建立翅片单元的三维模型

采用ANSYS mesh 划分网格，计算域划分采用非结构四面体，划分出来的网格单元节点连接的网格数目不同，这样可以很好地处理百叶窗和翅片的接触区域。网格划分完成，百叶窗模型计算域如图1 所示，网格数量为101132 个。

图1 计算域网格模型

3.3 边界条件设置

①空气入口设为速度进口：vX=v，vy=vZ=0，T=303.15K

④与百叶窗平行的上下面为周期性边界条件：φ（x，y，zmin）

4 模型计算结果分析

本文研究的是空气入口风速对百叶窗冷凝器换热性能的影响，保持百叶窗结构参数不变只改变空气进口速度，以1m/s为步长设置迎面风速为1～5m/s，对换热器的流动和换热情况进行分析。

4.1 翅片表面换热量与换热系数的沿程变化

由于百叶窗翅片是不连续的，沿翅片方向断成众多小节，将均匀流过的空气在各个表面不同程度地破坏，达到强化传热的目的，导致百叶窗表面不同位置的换热量与换热系数有很大差别。换热系数与换热量沿程变化幅度剧烈，变化规律呈波浪状，在每一片百叶窗边界的前缘，即为换热量与换热系数极大值生成的地方。百叶窗前半部位置换热量要明显高于后半部分，冷气空气流经前半部分使得整体温度上升，导致后半程散热效果没前半部明显，并且后半段的百叶窗布局的变化也会导致散热的差距出现[4]。

4.2 温度流场分布对比

分别计算空气入口风速是1～5m/s 时对称面上百叶窗翅片温度分布状况，对称面是百叶窗中心横截面。由计算得出：流体区域内，沿着流动方向，温度由高至低发生不稳定变化，在靠近翅片的区域温度升高显著，这得益于百叶窗翅片的高换热系数。并且在百叶窗流域靠近入口的区域，温差变化大，靠近出口的区域温度梯度较小，说明空气换热主要集中在前半段；在垂直于翅片的方向上，越靠近翅片的位置温度越高，温度梯度变化越大。空气出口处，迎面风速越小，温度会越高，原因是空气流量减小导致单位空气的换热量增大，从而空气温升增大。

4.3 压力流场对比

当入口风速分别为1m/s 和5m/s 时，观察翅片附近的最高压力与最低压力与风速的关系：在垂直百叶窗翅片方向上，距离百叶窗翅片越近的区域，表面压力越小，距离较远的区域压力越大，这是由于空气流经翅片表面，空气受到阻碍，形成流速差，靠近翅片表面的地方空气速度相对较小，动压也小，而靠近壁面的区域空气流速大，动压也较大。平行于翅片方向上，当入口风速为1m/s 时，入口与出口处的压力分别为5.118Pa 与-0.5394Pa，总的压降为5.6574Pa；当速度为5m/s时，压力降达到75.30Pa。随着风速的增大，总压降的增速呈上升趋势（出口边界的压力值是0Pa，计算得到的各个区域的压力值都是相较出口边界压力值得出的）。在一定范围内，压降和换热系数都随着风速增大而逐渐增大，提高入口风速可以提高换热能力，但同时压力损失也是增大的。

4.4 空气侧压降模拟结果与实验拟合式的对比

为了验证数值模拟结果的准确性，本文通过实验拟合式对模拟结果进行验证。某些学者对91 种不同形式百叶窗翅片进行了实验，将实验数据拟合，得出传热和阻力性能计算公式[5]。该公式涉及换热器百叶窗角度、间距，翅片间距、厚度，扁管宽度等几何结构参数，公式复杂不详述。作出空气侧压降数值计算与实验关联式结果对比折线，如图2 所示。从图中可以看出，数值计算结果略低于实验拟合式计算值，误差在10%之内，变化规律基本相同。结合图2 可得出：随着入口风速的增加，空气侧压降与换热量都是逐渐增加的，但是换热量增加的趋势越来越小，而压降的变化越来越大，可推出一定存在一个最佳的迎面风速，使冷凝器换热效果较好，压降也保持在可接受的范围内。

图2 空气侧压降数值计算与实验关联式结果对比

5 结论

本文主要做了迎面风速对平行流冷凝器空气侧百叶窗空气流动和传热效果影响的数值模拟，得到换热量和换热系数沿翅片呈波浪形变化并逐渐降低；不同风速下温度、压力流场的对比；不同风速下单位面积换热量与风阻的关系，存在一个最佳的迎面风速，使冷凝器换热效果较好且风阻也保持在一个合理的范围内；通过空气侧压降与实验关联式对比验证，得出理论与实验结果基本一致，验证模型具有准确性。